金屬抗磨自修復(fù)材料對(duì)球軸承壽命的影響

菅瑞雄，張偉，李興林 ，陳芳華

(1.上海寶鋼工業(yè)檢測(cè)公司，上海 201900；2.杭州軸承試驗(yàn)研究中心，杭州 310022)

滾動(dòng)軸承疲勞壽命受多因素綜合影響，除了提高軸承原材料質(zhì)量、改進(jìn)熱處理和加工工藝外，改善軸承潤(rùn)滑性能，減少因滾動(dòng)體與內(nèi)、外圈之間的摩擦而造成的磨損也是延長(zhǎng)軸承壽命的有效途徑之一，其中金屬抗磨自修復(fù)材料由于其特殊的潤(rùn)滑機(jī)理，已經(jīng)成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)、外滾動(dòng)軸承摩擦學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一[1-2]。

1 金屬抗磨自修復(fù)材料

本試驗(yàn)中使用的金屬抗磨自修復(fù)材料是主要由羥基硅酸鎂Mg3(Si2O5)(OH)4、硼B(yǎng)、稀土化合物、部分金屬及其氧化物等多種物質(zhì)復(fù)合在一起的納米級(jí)潤(rùn)滑材料。該材料添加到試驗(yàn)軸承的潤(rùn)滑油中后，以潤(rùn)滑油為載體，在軸承轉(zhuǎn)動(dòng)中對(duì)滾道和滾動(dòng)體表面進(jìn)行超精研磨、吸附清洗和表面修復(fù)，期間會(huì)在摩擦面間產(chǎn)生瞬時(shí)閃溫，促使抗磨自修復(fù)材料在催化劑、活化劑等作用下發(fā)生微燒結(jié)、微冶金等一系列物理和化學(xué)變化過程，最終在軸承摩擦副表面生成類金屬陶瓷修復(fù)層。該修復(fù)層具有較高的表面硬度和較低的表面粗糙度值，能顯著降低摩擦表面的摩擦系數(shù)，延長(zhǎng)軸承疲勞壽命。

該修復(fù)技術(shù)是機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)不解體修復(fù)技術(shù)，在我國(guó)機(jī)械設(shè)備維修領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用，使用該技術(shù)不僅可大量節(jié)約電費(fèi)，而且可有效延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，減小故障率，為用戶實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)提供有力保障。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)條件

ABLT-1A型滾動(dòng)軸承疲勞壽命及可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)；RPD型旋轉(zhuǎn)式鐵譜儀；OLYMPUS BX60型顯微鏡；6204深溝球軸承；N32#機(jī)械潤(rùn)滑油；金屬抗磨自修復(fù)材料。具體試驗(yàn)參數(shù)見表1，采用分組淘汰試驗(yàn)法進(jìn)行試驗(yàn)[3]。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)軸承失效按照GB/T 24607—2009《滾動(dòng)軸承壽命及可靠性試驗(yàn)及評(píng)定》中的規(guī)定進(jìn)行評(píng)定。

(1)準(zhǔn)備6臺(tái)ABLT-1A型壽命強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)并編號(hào)，每臺(tái)試驗(yàn)機(jī)均可放置新6204軸承各4套，各試驗(yàn)機(jī)油箱徹底清洗后向其加注40 L新N32#機(jī)械油。在排除試驗(yàn)機(jī)自身能耗差異(臺(tái)差)后，將6臺(tái)試驗(yàn)機(jī)分為2組(1#～3#為一組，4#～6#為一組)，以保證2組試驗(yàn)機(jī)在未加載前的工況基本相同。之后向4#～6#試驗(yàn)機(jī)油箱內(nèi)按10 mL/kg加注量加入金屬抗磨自修復(fù)材料(即1 kg潤(rùn)滑油中加注10 ml金屬自修復(fù)材料)并作為試驗(yàn)組；1#～3#試驗(yàn)機(jī)不添加，作為空白對(duì)照組。

(2)同時(shí)開啟6臺(tái)ABLT-1A型壽命強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)并設(shè)置相同的試驗(yàn)條件，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)直至每臺(tái)試驗(yàn)機(jī)上任何一套軸承破壞即該試驗(yàn)機(jī)報(bào)警停機(jī)，則軸承壽命試驗(yàn)結(jié)束?？紤]到油箱中潤(rùn)滑油有限，試驗(yàn)的全過程中取油樣5次，每次300 mL。

(3)試驗(yàn)完畢后，對(duì)試驗(yàn)油樣進(jìn)行理化、振動(dòng)和磨損分析，確定該金屬抗磨自修復(fù)材料對(duì)潤(rùn)滑油理化性能、軸承振動(dòng)以及軸承摩擦磨損性能的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 理化分析

以石油產(chǎn)品國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 11120—89《L-TSA汽輪機(jī)油》和GB 11118.1—94《礦物油型和合成烴型液壓油》中的技術(shù)要求作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)把添加修復(fù)材料的潤(rùn)滑油與試驗(yàn)用N32#機(jī)械油新油以及未添加修復(fù)材料的潤(rùn)滑油比較，理化指標(biāo)測(cè)試方法及分析結(jié)果見表2。由表2可知，添加修復(fù)材料后潤(rùn)滑油的核心質(zhì)量指標(biāo)較新油以及未添加修復(fù)材料的潤(rùn)滑油變化不大，且均在正常范圍之內(nèi)，說明該金屬抗磨自修復(fù)材料對(duì)本次試驗(yàn)所用潤(rùn)滑油理化性能無(wú)明顯影響[4]。

表2 理化指標(biāo)分析結(jié)果

3.2 振動(dòng)分析

軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)記錄結(jié)果如圖1所示，每間隔24 h記錄1次，其中1#～3#試驗(yàn)機(jī)分別于第32次、第22次、第24次記錄前達(dá)到報(bào)警設(shè)定值而停機(jī)，軸承疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)束。而4#～6#試驗(yàn)機(jī)在達(dá)到1#～3#試驗(yàn)機(jī)平均壽命2倍時(shí)仍處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，軸承未發(fā)生疲勞剝落，且振動(dòng)值均未出現(xiàn)較大波動(dòng)，說明金屬抗磨自修復(fù)材料對(duì)降低軸承振動(dòng)值、延長(zhǎng)軸承壽命具有明顯的改善作用。考慮到已達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?，?#～6#試驗(yàn)機(jī)軸承達(dá)到1#～3#試驗(yàn)機(jī)軸承平均壽命2倍時(shí)終止了該試驗(yàn)，由于4#～6#試驗(yàn)機(jī)的后期振動(dòng)值一直保持平穩(wěn)狀態(tài)，故記錄次數(shù)只取到41，之后的振動(dòng)值未列出。各臺(tái)試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行時(shí)間見表3。

圖1 振動(dòng)變化趨勢(shì)圖

表3 試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行時(shí)間表

3.3 磨損分析

以油樣中分離出的磨損顆粒為對(duì)象，借助儀器檢驗(yàn)分析磨損顆粒的形貌、大小、數(shù)目和成分，從而對(duì)設(shè)備的磨損狀態(tài)進(jìn)行分析判斷[5-6]。由圖2～圖4可知，潤(rùn)滑油中未添加修復(fù)材料的試驗(yàn)機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)了較多球狀磨粒，說明軸承發(fā)生了很嚴(yán)重的疲勞磨損。由圖5～圖7可知，潤(rùn)滑油中添加修復(fù)材料的試驗(yàn)機(jī)處于較為正常的磨損狀態(tài)，其中5#機(jī)磨粒較多。由圖6可知，5#機(jī)以正常的小尺寸滑動(dòng)磨粒為主，沒有出現(xiàn)軸承由于疲勞而產(chǎn)生的特征磨粒。由圖1可知，5#機(jī)振動(dòng)值雖然較大，但一直保持平穩(wěn)，未發(fā)生報(bào)警停機(jī)，這與機(jī)體自身振動(dòng)較大有關(guān)，符合軸承疲勞壽命試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，故5#機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，說明該金屬抗磨自修復(fù)材料對(duì)軸承起到了減磨和修復(fù)作用，提高了滾動(dòng)表面的耐磨性，延長(zhǎng)了軸承使用壽命[7-9]。

圖2 1#機(jī)磨粒

圖3 2#機(jī)球狀磨粒

圖4 3#機(jī)球狀磨粒

圖5 4#機(jī)磨粒

圖6 5#機(jī)正常磨粒

圖7 6#機(jī)磨粒

4 結(jié)束語(yǔ)

通過理化試驗(yàn)可知，該金屬抗磨自修復(fù)材料對(duì)潤(rùn)滑油核心理化指標(biāo)無(wú)明顯影響；通過對(duì)試驗(yàn)軸承運(yùn)行振動(dòng)值和疲勞壽命進(jìn)行考察可知，添加金屬抗磨自修復(fù)材料后軸承的振動(dòng)值保持穩(wěn)定，軸承的運(yùn)行可靠性和疲勞壽命得到顯著提高；通過磨損圖譜分析可知，單一運(yùn)用金屬抗磨自修復(fù)材料作為潤(rùn)滑油中的添加劑，可明顯改善軸承的摩擦磨損性能。

綜上所述，金屬抗磨自修復(fù)材料在不影響試驗(yàn)軸承用油理化性能的情況下，明顯改善了軸承運(yùn)行狀態(tài)，延長(zhǎng)軸承使用壽命1倍以上。